Показатели качества электроэнергии

Рассмотрим влияние ОН на режимы работы синхронных двигателей (СД). Максимальный электромагнитный момент СД в широко распространенных схемах с вентильными и электромашинными возбудителями при неизменном токе возбуждения изменяется пропорционально напряжению. Это вызывает соответствующее изменение запаса статической устойчивости двигателя. При наличии ОН в сети изменяется располагаемая РМ, определяемая тепловой нагрузкой СД: при повышении напряжения снижается вследствие увеличения насыщения магнитопровода машины и потерь в стали, при понижении до 80 % номинального - увеличивается для СД с высокими значениями отношения короткого замыкания (ОКЗ) (примерно 1,25 и выше) и небольшой нагрузкой на валу. Для СД с ОКЗ = 1,25 снижение напряжения вызывает уменьшение располагаемой РМ.

Потери активной мощности в СД увеличиваются с возрастанием напряжения в сети и загрузки СД по РМ. Для их оценки может использоваться выражение

,

где и - генерируемая РМ и ее номинальное значение.

Постоянные коэффициенты и определяются техническими параметрами конкретной машины.

Вентильные преобразователи (ВП). В современном производстве в большинстве случаев применяются управляемые ВП, коммутируемые по трехфазной мостовой схеме.

В управляемых ВП, применяемых главным образом в электротехнологических процессах, используются либо тиристоры с системой импульсно-фазового управления (СИФУ), либо кремниевые диоды. В ряде технологических процессов цветной металлургии (например, при электролизе) система авторегулирования преобразователя должна обеспечить постоянство выпрямленного тока. Соблюдение этого требования при ОН сети приводит к изменению коэффициента мощности преобразователя :

,

где - угол сдвига по фазе между первыми гармониками сетевого напряжения и тока; - коэффициент искажения, равный отношению действующего значения ВГ сетевого тока и первой гармоники.

Для управляемых ВП в первом приближении можно принять ₁ , где - угол управления ВП.

При повышении напряжения в сети система авторегулирования тока обеспечивает увеличение угла , вследствие чего коэффициент мощности ВП уменьшается. Так, при повышении напряжения на 5 % значение снижается на 5-7 %, и потребление РМ увеличивается. Понижение напряжения влечет за собой возрастание значения , при этом несколько увеличивается ток, проходящий через трансформатор ВП, и потери в нем, однако в целом работа преобразовательного агрегата становится более экономичной.

При регулировании напряжения ВП с помощью СИФУ, а также специального автотрансформатора или регулируемого под нагрузкой трансформатора ВП экономические показатели агрегата заметно улучшаются. При поддержании постоянства выпрямленного тока влияние ОН на технологический процесс не обнаруживается.

В электролизных цехах с неуправляемыми ВП при отсутствии регулирования напряжения (хлорные станции целлюлозно-бумажных комбинатов, некоторые химические предприятия) наблюдаются снижение производительности и повышение расхода ЭЭ.

Электротермические установки. Дуговые сталеплавильные печи (ДСП), рудно-термические печи, индукционные плавильные печи, печи сопротивления и различные электронагревательные установки широко используются в различных отраслях промышленности. Как правило, ОН приводят к снижению производительности печей [6]. Так, при отжиге заготовок в печах сопротивления в случае снижения напряжения технологический процесс продолжается дольше; при снижении напряжения на 10 % процесс отжига производить невозможно. Удлинение процесса приводит к увеличению длительности последующих технологических циклов, повышению расхода ЭЭ и как следствие к увеличению себестоимости продукции.

Влияние ОН на снижение производительности электротермических установок можно проследить по графику зависимости производительности П и удельного расхода электроэнергии W_уд от полезного напряжения U_пол,ф, построенному для ферросплавной дуговой электропечи мощностью 16500 кВ^.А (рис. 6.3).

Как видно из рис. 1.9, минимальный удельный расход электроэнергии W_уд имеет место при напряжении 65 В, а максимальная производительность - при напряжении 70 В. Отклонение напряжения в ту или иную сторону вызывает увеличение расхода ЭЭ и снижение производительности установки П_у.

Производительность электротермических установок П_у во многих случаях имеет квадратичную зависимость от уровня напряжения:

,

где - коэффициент, зависящий от параметров электрооборудования и выпускаемой продукции и некоторых особенностей технологии.

Рисунок 6.3 - График зависимости производительности и удельного расхода электроэнергии от полезного напряжения

Отклонения напряжения существенно сказываются на работе ДСП. Связь между производительностью печи П и отклонением напряжения для периода расплавления представляется в виде

,

где - производительность печи при номинальном напряжении.

Так, для печи ДСП-100 снижение напряжения на 5 % в период расплавления скрапа привело к снижению производительности на 10 % и увеличению периода расплавления на 16 мин.

Осветительные электроприемники. Качество работы осветительных электроприемников существенно влияет на производственный процесс. Увеличение освещенности рабочего места на 10 % приводит к увеличению производительности труда в отдельных отраслях производства до 14 % [12]. Качество освещения существенно сказывается на выполнении работ, связанных с использованием ручного труда, в особенности при выполнении точных операций. Недостаточная освещенность приводит к снижению производительности труда, повышенной утомляемости, увеличению производственного травматизма и брака.

Как известно, при повышении напряжения срок службы светильников сокращается: так, при = 10 % срок службы ламп уменьшается в 3 раза.

7. Влияние несимметрии и колебаний напряжения на работу электроприемников и технологических установок

Несимметрия напряжения в электрических сетях предприятий обусловлена наличием мощных однофазных нагрузок (индукционных плавильных и нагревательных печей, сварочных агрегатов, печей электрошлакового переплава), а также трехфазных, длительно работающих в несимметричном режиме (например, ДСП). Трехфазная система напряжений может быть несимметричной при питании сети предприятия от тяговой подстанции переменного тока.

При несимметрии напряжений в трехфазных сетях появляются дополнительные потери в элементах электросетей, сокращается срок службы ламп и электрооборудования и снижаются экономические показатели его работы.

При несимметрии напряжений в электрических машинах переменного тока возникают магнитные поля, вращающиеся не только с синхронной скоростью в направлении вращения ротора, но и с двойной синхронной скоростью в противоположном. В результате возникает тормозной электромагнитный момент, а также дополнительный нагрев активных частей машины, главным образом ротора, за счет токов двойной частоты.

В АД при коэффициентах обратной последовательности напряжений, встречающихся в практике , снижение вращающего момента АД оказывается пренебрежимо малым. Влияние несимметрии на потери в электродвигателе и, следовательно, нагрев и сокращение срока службы изоляции его проявляются в большей мере.

При работе АД с номинальным вращающим моментом и коэффициентом обратной последовательности напряжений, равном 4 %, срок службы изоляции его сокращается примерно в 2 раза только за счет дополнительного нагрева. Если напряжение на одной из фаз будет значительно превышать номинальное значение, сокращение срока службы изоляции будет еще большим. Для обеспечения нормальных условий работы электродвигателей в этом случае необходимо снижать располагаемую мощность их, а при проектировании - увеличивать номинальную мощность электродвигателей, если не предусматриваются специальные мероприятия по симметрированию напряжений сети. Эти обстоятельства возникают, например, при проектировании электрифицированного железнодорожного транспорта на горнообогатительных и некоторых других промышленных предприятиях.

При несимметрии напряжений сети в СД наряду с возникновением дополнительных потерь и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной, в особенности при недостаточной прочности или наличии дефектов сварных соединений. При несимметрии токов, не превышающей 30 %, опасные перенапряжения в элементах конструкций, как правило, не возникают.

Дополнительные потери мощности в СД при несимметричной нагрузке вызывают появление местных (локальных) нагревов обмотки возбуждения, что приводит к необходимости снижать ток возбуждения и тем самым уменьшать значение РМ, выдаваемой в сеть. При этом может возникнуть необходимость снизить активную нагрузку генератора или момент на валу СД.

Согласно «Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей», длительная работа турбогенераторов и СК допускается при разнице токов в фазах статора, не превышающей 10 % номинального значения при условии, что ни один из фазных токов не превосходит номинального значения. При тех же условиях для гидрогенераторов разница токов допускается до 20 %.

Несимметрия напряжений не оказывает заметного влияния на работу ВЛ и кабельных линий; в то же время нагрев трансформаторов и, следовательно, сокращение срока их службы могут оказаться существенными [47]. В случае несимметрии токов трансформатора нагрев масла будет несколько меньше, чем в случае симметричной нагрузки при токе фаз, равном току наиболее загруженной фазы; это объясняется более интенсивным охлаждением обмотки этой фазы. Сказанное относится к случаю, когда наличие несимметричных нагрузок не влечет за собой возникновения токов нулевой последовательности; такие условия имеют место в сетях 6-10-35 кВ промышленных предприятий, работающих с изолированной или компенсированной нейтралью. Расчеты показывают, что при номинальной нагрузке трансформатора и коэффициенте несимметрии токов, равном 0,1, срок службы изоляции трансформатора сокращается на 16 %.

При несимметрии линейных напряжений РМ, генерируемая БК, изменяется по сравнению с номинальным значением на

где - линейное напряжение прямой последовательности; - номинальное напряжение БК.

При = 0,050,06 оказывается . Поскольку на практике напряжение может быть больше или меньше напряжения , то возможно как увеличение, так и уменьшение генерируемой РМ. В последнем случае в наиболее загруженной фазе значение тепловых потерь может значительно превосходить номинальное значение; в результате появляется местный перегрев изоляции, приводящий к сокращению срока ее службы.

Несимметрия напряжений и токов отрицательно влияет на работу рудно-термических печей, вызывая снижение их производительности, увеличение расхода ЭЭ и, тем самым, уменьшение КПД печи. Ухудшение основных показателей работы рудно-термических печей оказывается бoльшим, чем изменение степени несимметрии режима, а после некоторых граничных значений несимметрии наблюдается резкое падение производительности и КПД печи при резком возрастании расхода ЭЭ. Последнее объясняется возникновением зон активного и пассивного хода реакции и, тем самым, неравноценностью распределения энергии по объему ванны печи.

Колебания напряжения в сетях возникают главным образом при работе резкопеременных нагрузок: управляемых ВП с широким диапазоном и большой скоростью регулирования напряжения, ДСП, мощных сварочных агрегатов и т.п.

Колебания напряжения отрицательно сказываются на зрительном восприятии предметов, деталей, графических изображений и в конечном счете на производительности труда и зрении работников. Воздействие миганий ламп зависит от типа светильника. При одинаковых КН отрицательное влияние ламп накаливания проявляется в значительно большей мере, чем газоразрядных ламп. При >10 % наблюдаются погасания газоразрядных ламп; при >15 % могут отпадать контакты магнитных пускателей. При таких КН наблюдается выход из строя конденсаторов и вентилей преобразовательных агрегатов.

Колебания напряжения отрицательно сказываются на работе большого числа потребителей. Так, на одном из предприятий, к шинам 10 кВ которого была подключена ДСП типа ДСП-40, а также индукционные печи и СД высокочастотных преобразовательных агрегатов, амплитуды КН достигали 12 %. При этом возникали брак продукции установок высокочастотного нагрева и разрушение сердечников индукционных плавильных печей, отключались системы автоматического управления режимом и СД.

При КН снижается производительность электролизных установок, сокращается срок их службы вследствие повышенного износа анодов. На заводах химического волокна вследствие колебаний частоты вращения АД намоточных устройств синтетические нити рвутся либо становятся разнотолщинными, что приводит к браку или недоотпуску продукции. При питании печей сопротивления от ВП КН приводят к колебанию тока нагрузки, а иногда и к возникновению неустойчивого режима системы автоматического регулирования температуры.

Колебания амплитуды и фазы напряжения, вызываемые работой прокатных станов, вызывают колебания электромагнитного момента, активной и реактивной мощностей синхронных генераторов блок-станций (ТЭЦ) предприятий; это отрицательно сказывается на экономичности работы станции в целом. Известны случаи возникновения неустойчивой работы системы автоматического регулирования возбуждения и РМ синхронных генераторов и двигателей и даже ложной работы устройства форсировки возбуждения.

Кратковременные КН при применении дуговой электросварки практически не влияют на качество сварочного шва, что объясняется инерционностью тепловых процессов в металле. Колебания и отклонения напряжения в сетях, питающих машины контактной сварки, существенно сказываются на качестве точечной сварки. Как показали исследования, для различного вида свариваемых деталей допустимые амплитуды КН находятся в пределах 3-5 % .

Колебания амплитуды и, в большей мере, фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателей, механических конструкций, трубопроводной арматуры. В последнем случае снижается усталостная прочность металла, сокращается срок его службы. Так, при амплитудах КН с частотой примерно 1 Гц, в 2 раза превышающих допустимые согласно ГОСТ 13109-97, срок службы трубопроводов вследствие пульсаций напора насоса сокращается на 5-7 %.

8. Влияние ВГ на работу электроприемников и технологических установок

При наличии ВГ в СЭС появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется КРМ с помощью БК; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи; имеют место и другие негативные последствия.

Так, при работе АД в условиях несинусоидального напряжения его коэффициент мощности и вращающий момент на валу снижаются. Например, если амплитуды 5-й и 7-й ВГ напряжения составляют соответственно 20 и 15 % амплитуды 1-й гармоники, коэффициент мощности двигателя уменьшается на 2,6 % в сравнении со значением его при синусоидальном напряжении. Практически влияние ВГ на коэффициент мощности АД можно не учитывать. То же относится и к моментам, развиваемым ВГ тока. Они не превышают нескольких десятых процента момента, развиваемого при промышленной частоте.

Существенно влияют ВГ на изоляцию электрических машин и конденсаторов, а также на измерительные приборы и устройства автоматики. Искажение формы кривой напряжения активизирует возникновение и протекание ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов. При этом развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к увеличению диэлектрических потерь и сокращению срока службы.

При наличии ВГ в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает также более интенсивно, чем в случае, когда конденсаторы работают при синусоидальном напряжении. Это объясняется тем, что физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие их старение, значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля. Аналогично влияет дополнительный нагрев, вызванный протеканием ВГ тока.

Батареи конденсаторов могут длительно работать при перегрузке их токами ВГ не более чем на 30 %; допустимое повышение напряжения составляет 10 %. Однако в этих условиях срок их службы сокращается. В СЭС промышленных предприятий, как правило, БК могут оказаться в режиме, близком к резонансу токов на частоте какой-либо из ВГ; вследствие перегрузок они выходят из строя.

Учет электроэнергии при несинусоидальных режимах в ряде случаев сопряжен со значительными погрешностями, которые зависят от места установки счетчика (на линейной или нелинейной нагрузке), измерительной системы счетчика, его частотной характеристики и других факторов.

При измерении мощности нелинейной нагрузки Р_нл имеют место два встречных потока мощности: основной частоты Р₁ и мощности искажения на частотах ВГ, оцениваемый как. Наличие мощности искажения обусловлено генерированием ВГ нелинейной нагрузкой. Следовательно, измеряемая мощность нелинейной и линейной нагрузок

; (8.1)

. (8.2)

Вводя коэффициент , который характеризует результирующую погрешность, обусловленную несинусоидальностью: для линейной и нелинейной нагрузок можно записать:

;

,

где ; - частотная погрешность счетчика на частоте -й гармоники.

Приведенные выражения, в силу нелинейности АЧХ индукционного счетчика, имеют иллюстративный характер. Нелинейные преобразования на частотах ВГ зависят не только от амплитуд токов и напряжений и их фаз, но и от номеров ВГ и последовательностей, которые они образуют.

Однако весьма важный качественный результат может быть получен.

Частотная характеристика погрешности индукционного счетчика на частоте -й гармоники (рис. 1.10) аппроксимируется известным выражением

Рис. 8.1- Частотная характеристика индукционного счетчика

,

где = 0,92; = 0,19.

Из приведенных выше выражений для и анализа частотной характеристики счетчика следует, что при линейных нагрузках оказывается < 0, т.е. имеет место недоучет электроэнергии. При нелинейных нагрузках > 0, т.е. происходит переучет электроэнергии, т.е. нелинейный потребитель как бы наказывается за генерирование ВГ в сеть и создаваемые ими добавочные потери. Баланса между этими величинами, полученными в результате измерения индукционными счетчиками, нет, что в ряде случаев приводит к возникновению недоразумений между энергоснабжающими организациями и потребителями при расчетах за электроэнергию. Так, счетчики, установленные со стороны ВН или НН трансформатора подстанции, имеют малую частотную погрешность вследствие малых искажений напряжения и тока, в особенности в случае применения на подстанции ФКУ. Расход активной энергии, учтенный ими, будет меньше суммарного, определенного по показаниям счетчиков нелинейных нагрузок.

Воздействие ВГ на СИФУ преобразователя может привести к возникновению так называемой гармонической неустойчивости, заключающейся в появлении на шинах многопульсного ВП большого напряжения четной гармоники или кратной трем. Искажения кривой напряжения сети могут быть столь большими, что в инверторном режиме ВП появятся нарушения коммутации; работа СИФУ также может оказаться неустойчивой.

Гармоническая неустойчивость может возникнуть при подключении ВП к ЭС, мощность КЗ которой соизмерима с мощностью ВП, в случае, если имеются другие источники ВГ (например, силовые трансформаторы), и асимметрия управляющих импульсов СИФУ. Следствием этой асимметрии является возникновение в спектре тока преобразователя четных и кратных трем ВГ; усиление их при наличии указанных выше условий и приводит к гармонической неустойчивости.

Наблюдались случаи возникновения автоколебаний в системах управления ВП вследствие проникновения в СИФУ 30-40-х гармоник тока. При этом возникали значительные колебания тока нагрузки и аварийные отключения ВП.

Высшие гармоники тока и напряжения в сети ухудшают работу телемеханических устройств, если силовые цепи используются в качестве каналов связи между полукомплектами диспетчерского и контролируемого пунктов, затрудняют применение системы телеуправления по линиям распределительных сетей с использованием ВГ. Высшие гармоники тока в ВЛ электропередачи ухудшают работу каналов связи.

Однако на практике известны случаи полезного использования ВГ, например, в системах сигнализации однофазных замыканий на землю, основанных на использовании естественных или искусственно генерируемых ВГ тока замыкания на землю. В случае компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю при помощи дугогасящих аппаратов при резонансной настройке этих аппаратов использование емкостного тока промышленной частоты для сигнализации не представляется возможным; использование ВГ позволяет обеспечить необходимые чувствительность и селективность работы сигнализации.

Высшие гармоники тока, проникая в сети ЭЭС, приводят к ухудшению работы высокочастотной связи и систем автоматики, а также вызывают ложные срабатывания некоторых релейных защит; в особенности значительно влияние ВГ на устройства, содержащие полупроводниковые элементы.

Высшие гармоники напряжения и тока усиливают воздействие других видов ЭМП. При резких снижениях напряжения в сети вероятность отказов электронных систем в условиях несинусоидальных режимов значительно возрастает.

9. Влияние провалов напряжения на электрооборудование

Провалы напряжения (ПН), возникающие в СЭС предприятий в результате отключений ВЛ и последующего АПВ (автоматического повторного включения - однофазного или иного), вследствие включения мощных ЭП и других причин негативно влияют на работу ЭП и, прежде всего помехочувствительные элементы (ПЧЭ), каковыми являются системы управления и контроля; последние в большинстве случаев выполняются на базе микропроцессорной техники либо использования ЭВМ. Воздействие ПН, в особенности в сочетании с другими ЭМП, в первую очередь, ВГ, в ряде случаев приводит не только к локальным аварийным ситуациям, но и к полной остановке производства, в особенности если оно строится с использованием поточных линий (например, в машиностроении).

Статистика распределения провалов по видам повреждений свидетельствует, что трехфазные повреждения составляют более половины общего числа, двухфазные - около 1/3; однофазные повреждения встречаются сравнительно редко (15-20 %).

Рассмотрим влияние ПН на примере завода химического волокна.

В табл. 9.1 представлены расчетные значения ПН (глубины провала ) в различных точках схемы (рис. 9.1), определенные по данным регистратора ПН, оборудованного блоком памяти и устройством записи значений и продолжительности ПН.

Таблица 9.1 - Провалы напряжения на шинах ГПП при однофазных замыканиях в точках зоны влияния

ПН,%	Номера точек зоны влияния
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
Расчетные	18	21	28	84	100	100	75	30	24	44	21	30	7	6	88	38	18
По данным измерений	20	18	25	86	100	100	75	25	22	41	19	35	6	5	85	36	15

Отказы ЭП и связанный с ними ущерб в СЭС составляют менее 15 % и не носят явно выраженного группового характера, в то время как каждая помеха в СЭС приводит в среднем к останову 20 единиц технологического оборудования. Характерно, что увеличение мощности и количества ВЛ для питания данного предприятия, способствующее повышению надежности простых электромеханических электроприемников, снижает надежность функционирования сложных электронных систем.

Рисунок 9.1 - Зона влияния помех энергосистемы на объект

Это объясняется тем, что несколько снижается глубина ПН, однако увеличивается их число за счет расширения зоны влияния. Так, при подключении к районной подстанции, питающей один из заводов химволокна, дополнительной ВЛ 330 кВ (до подключения новой ВЛ к подстанции подходило четыре ВЛ 110 кВ и одна ВЛ 330 кВ) среднегодовое число ПН на ГПП этого завода возросло на 18 %.

Таблица 9.2- Распределение отказов ЭП завода, исследуемых в течение 2-х лет

Отказы	Трех- и двух- фазные КЗ и аварии	Однофазные КЗ с ПН, %	Внутризаводские	Итого
		10	20	30	Более 30
Число групповых остановов Число отказов единиц оборудования Групповые остановы, % Отказы оборудования, % Отказы по причинам, %	32 799 6,8 17,1 17,1	66 1018 14 18,5 -	43 862 9,2 21,8 -	100 372 21,3 8,0 68,0	26 920 5,6 19,7 -	267 694 43,1 14,9 14,9	469 4465 100 100 100

Таблица 9.3- Провалы напряжения по глубине и продолжительности

Показатель	Глубина ПН, %	Продолжительность ПН, мкс
	до 5	6-10	10-20	20-30	30-50	Более 50	до 50	50-100	100-200	200-750	Более 750
Число ПН за летний период, %	6,3	16	35,5	26,2	13,9	2,1	2,2	36,9	43,2	15,4	2,3
Число остановов оборудования при данной глубине ПН, %	0,1	5,1	22	30,4	17,1	25,3	-	51	37,2	11,7	0,1

Распределение ПН по глубине и продолжительности приведено в табл. 9.3. Из таблицы видно, что более 80 % ПН по глубине приближается к 60 %. При этом более половины всех остановов технологических единиц приходится на кратковременные (от 0,05 до 0,1 с) ПН.

На рис. 9.2 показана гистограмма распределения ПН по глубине.

Рисунок 9.2- Гистограмма распределения ПН по глубине

Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) являются самым распространенным типом преобразователей, применяемых в производстве химических волокон. Исследования проводились на различных ТПЧ, работающих в разных частотных режимах с нормальной рабочей нагрузкой (60% ).

Основные результаты испытаний ТПЧ на отказ приведены в табл. 9.4. Данные табл. 9.4 позволяют сделать вывод о том, что общими закономерностями для всех режимов работы и типов ТПЧ являются следующие: отказы ТПЧ под воздействием ПН происходят только из-за опрокидываний какого-либо из элементов автоматики, происходящих сразу же после снижения или восстановления напряжения; продолжительность ПН (в пределах допороговых значений установок защиты по минимальному напряжению) на отказы ТПЧ не влияет; все ТПЧ имеют вариации отказов при однофазных ПН в зависимости не только от глубины, но и от фазы сети, в которой имел место ПН; в общем случае асимметрия ПН увеличивает степень его воздействия.

Таблица 9.4 - Зависимость отказов ТПЧ от глубины, продолжительности и фазы ПН

Глубина ПН, %, в фазе	Отказ, %, при продолжительности ПН, мкс
А	В	С	5	10	20	50	100	500
10	-	-	0	0	0	0	0	0
-	10	-	15	14	15	16	15	15
-	-	10	5	5	5	5	5	6
10	10	-	12	12	11	12	11	12
-	10	10	14	14	14	13	13	14
10	10	10	14	14	13	14	14	13
20	-	-	0	0	0	0	0	0
-	20	-	24	23	23	22	24	23
-	-	20	10	10	11	12	11	10
30	-	-	5	5	6	5	6	6
-	30	-	40	40	41	41	40	39
-	-	30	16	16	18	16	17	16
30	30	-	20	21	21	21	19	21
-	30	30	36	37	36	36	35	37
30	30	30	35	37	37	37	36	37
40	-	-	20	21	20	19	19	19
-	40	-	85	86	87	86	84	87
-	-	40	45	44	43	43	44	45
И	-	-	5	-	-	-	-	-
-	И	-	20	-	-	-	-	-
-	-	И	8	-	-	-	-	-
И	И	-	18	-	-	-	-	-
-	И	И	20	-	-	-	-	-
И	И	И	2	-	-	-	-	-

Примечание. И - импульсная помеха.

10. Регулирование напряжения

Регулирование напряжения изменением сопротивления электрической сети. Продольная компенсация (ПК) индуктивного сопротивления ВЛ и шинопроводов СЭС предприятий позволяет существенно снизить потерю напряжения в линиях. Это достигается включением в рассечку линии БК. На рис. 3.1 представлена схема включения БК в рассечку линии [9].

Векторная диаграмма для линии с БК представлена на рис. 3.2.

Из векторной диаграммы следует, что установка ПК обеспечивает увеличение напряжения в конце линии при неизменном напряжении в начале линии.

Если нагрузка задана мощностью, то продольная составляющая падения напряжения с учетом влияния БК

Рисунок 10.1- Схема включения БК для компенсации индуктивного сопротивления линии

Рисунок 10.2- Векторная диаграмма для схемы рис. 3.1

, (10.1)

где - соответственно активная и реактивная мощности нагрузки, МВт, Мвар; - активное и реактивное сопротивления линии, Ом; - напряжение в конце линии, кВ; - реактивное сопротивление БК, последовательно включенной в линию, Ом.

Если желаемый уровень напряжения в конце линии , то из (3.1) можно определить сопротивление установки продольной компенсации. Ток в цепи БК равен току нагрузки:

. (10.2)

Количество параллельно включенных конденсаторов в БК на фазу

, (10.3)

где - номинальный ток одного конденсатора БК.

Количество последовательно включенных конденсаторов в БК определяется из условия

, (10.4)

где - номинальное сопротивление одного конденсатора при основной частоте, Ом; - количество последовательно включенных конденсаторов.

Общая мощность установки ПК

, (10.5)

где - число фаз.

Компенсирующий эффект установки продольной компенсации зависит от тока нагрузки. Установку продольной компенсации можно использовать также в сетях с резкопеременной нагрузкой [9]. Однако в этом случае следует исключить возможность субгармонического резонанса.

Регулирование напряжения компенсацией РМ потребителей. При подключении параллельно нагрузке источника РМ (рис. 3.3) напряжение на нагрузке возрастает за счет уменьшения продольной составляющей падения напряжения, что легко усматривается из векторной диаграммы (рис. 3.4)

Если нагрузка задана в виде мощности, то без учета поперечной составляющей

10.6)

где - мощности нагрузки в конце линии, МВт, Мвар; - мощность источника реактивной мощности (ИРМ), Мвар; - напряжение в конце линии после подключения ИРМ, кВ.

Рисунок 10.3- Регулирование напряжения с помощью источника РМ

Рисунок 10.4- Векторная диаграмма напряжений линий при наличии установки поперечной компенсации

Мощность компенсирующего устройства источника РМ для обеспечения желаемого уровня напряжения

(10.7)

где - желаемый уровень напряжения в конце линии, кВ; - реактивное сопротивление линии, Ом; - мощность ИРМ, Мвар.

Выражение (3.7) служит для определения мощности любого источника РМ: БК, СК, СД.

Компенсирующий эффект установки поперечной компенсации не зависит от изменения нагрузки, поэтому рассматриваемый метод регулирования напряжения не используется в сетях с резкопеременными нагрузками. Исключением является применение регулируемых статических компенсаторов РМ (СТК) (рис. 3.5) и быстродействующих СК либо СД. Скорость изменения генерируемой ими РМ соизмерима со скоростью набросов РМ резкопеременной нагрузки.

Cтатический компенсатор дает возможность плавно регулировать РМ, выдаваемую в сеть (рис.10.5).

Регулирование напряжения изменением коэффициентов трансформации трансформаторов. Силовые трансформаторы по способу регулирования коэффициента трансформации можно разбить на две группы:

с переключением без возбуждения (ПБВ); для изменения коэффициента трансформации трансформатор необходимо отключать от сети;

с регулированием под нагрузкой (РПН); изменение коэффициента трансформации производится без отключения трансформатора от сети.

Трансформаторы с ПБВ имеют, как правило, кроме основного ответвления четыре дополнительных: +5%, +2,5%; -2,5%; -5% номинального напряжения. Переключения производятся в отключенном состоянии не чаще 2 раз в год, т.е. носят сезонный характер.

Переключение отпаек трансформаторов с РПН более эффективно. Диапазон изменения коэффициента трансформации составляет (10 16)% при шаге регулирования (1,25 - 2,5)%. Устройство РПН может быть либо со сдвоенным реактором, либо с активными сопротивлениями.

Рассмотрим кратко работу РПН.

Если устройство РПН оборудовано сдвоенным реактором (рис. 10.5), то в нормальном режиме переключатели П1 и П2 замкнуты на одну отпайку, и ток протекает по обоим плечам реактора, сопротивление которого мало, так как обмотки включены встречно и контакты К1 и К2 замкнуты.

Рис. 10.5. Схема переключающего устройства РПН на базе сдвоенного реактора

Требование к встречному регулированию в центре питания таково: в максимальном режиме должно быть (1,05 - 1,08)U_ном, а в минимальном - 1,0U_ном. Желаемый коэффициент трансформации в максимальном режиме определится как и округляется до ближайшего табличного значения .

а)	б)

Рисунок 10.6- Схема регулирования напряжения устройством РПН в автотрансформаторе: а - с реверсом в линейном выводе обмотки СН; б - на ВН без реверса

Данному коэффициенту трансформации соответствует относительное по отношению к номинальному число рабочих витков обмотки ВН . Тогда желаемое напряжение на шинах НН

, (10.8)

где - действительное напряжение на шинах НН, полученное из расчета максимального режима, приведенное к уровню ВН трансформатора; - желаемый уровень напряжения на стороне НН трансформатора в режиме максимальной нагрузки.

Желаемый коэффициент трансформации между обмотками ВН и СН определяют, исходя из желаемого уровня напряжения на шинах СН

, (10.9)

где - действительное напряжение на шинах СН, полученное из расчета максимального режима и приведенное к уровню ВН; - желаемый уровень напряжения на шинах СН в режиме максимальной нагрузки.

С учетом относительного числа витков ПБВ обмотки СН

, (10.10)

где - номинальные напряжения соответственно обмоток ВН и СН.

Из (10.10) получается

. (10.11)

Значение округляется до ближайшего табличного значения. Определяют относительное число витков ПБВ для трех режимов, вычисляют среднее значение, которое и определяет отпайку ПБВ на рассматриваемый сезон.

Рис. 10.7 - Интерпретация влияния запаса РМ источника питания на эффективность регулирования напряжения с помощью устройства РПН

Использование РПН эффективно в случаях, когда ЭП находится за относительно небольшим сопротивлением, то есть имеется достаточный запас по РМ.

При большом сопротивлении между источником и потребителем потери напряжения велики. Статические характеристики источника и нагрузки представлены на рис. 10.7.

Изменить потерю напряжения в сети можно, увеличив крутизну характеристики источника питания с помощью компенсации индуктивного сопротивления линий. Другая возможность - уменьшить крутизну характеристики подключением параллельно нагрузке дополнительного ИРМ.

Если известно напряжение на стороне ВН трансформатора, коэффициент трансформации для двухобмоточного трансформатора выбирается следующим образом.

, (10.12)

где - отношение напряжения регулировочного ответвления к номинальному напряжению сети со стороны ВН трансформатора; - отношение номинального напряжения обмотки НН трансформатора к номинальному напряжению сети со стороны этой обмотки трансформатора.

Связь между первичным и вторичным напряжениями трансформатора

(10.13)

где - мощность нагрузки трансформатора, МВ^.А; - действительное напряжение на стороне ВН трансформатора, кВ; - желаемое напряжение на шинах НН трансформатора, кВ; - сопротивление трансформатора, Ом.

В относительных единицах (3.13) будет иметь вид

, (10.14)

Откуда

. (10.15)

Полагая как желаемое значение, получаем напряжение ответвления РПН:

. (10.16)

При работе устройства РПН напряжение изменяется только по модулю, т.е. имеет место продольное регулирование напряжения. Если в процессе регулирования изменяется не только модуль напряжения, но и его фаза, такое регулирование называют поперечным. Его можно обеспечить с помощью вольтодобавочного трансформатора (рис. 10.8).

Рисунок 10.8- Схема подключения одной фазы вольтодобавочного трансформатора к силовому трансформатору

Вольтодобавочный трансформатор состоит из двух трансформаторов: питающего и последовательного. Первичная обмотка последовательного трансформатора включается последовательно с обмоткой ВН силового трансформатора, а вторая обмотка через устройство РПН подключена ко вторичной обмотке питающего трансформатора. Первичная обмотка питающего трансформатора подключается к сети.

При совпадении векторов ЭДС последовательного и силового трансформаторов коэффициент трансформации возрастает; при встречном, очевидно, уменьшается.

11. Снижение колебаний напряжения

Разделение нагрузок. Для разделения резкопеременной и спокойной нагрузок могут использоваться различные схемы и устройства. Наиболее простой является схема, основанная на использовании сдвоенного реактора: спокойные и резкопеременные нагрузки подключаются к различным секциям (обмоткам) реактора. Благодаря тому, что коэффициент взаимоиндукции между секциями , падения напряжения в каждой из них при токах нагрузки и представляются выражением

, (11.1)

где - индуктивное сопротивление секции реактора; - коэффициент взаимоиндуктивной связи; .

В идеальном случае, когда , оказывается

.

Падение напряжения за счет взаимоиндуктивной связи уменьшается на 50-60 %. При снижение значения будет, очевидно, меньшим. Размахи изменения напряжения зависят от сопротивления питающей ЭС до шин, к которым подключен реактор (рис. 11.1, 11.2).

Применение описанной схемы для подключения ДСП и мощных электродвигателей позволяет в ряде случаев обеспечить на шинах «спокойной» нагрузки колебания напряжения, которые не превосходят ПДЗ.

Рисунок 11.1-. Схема электроснабжения предприятия (до реконструкции)

Рисунок 11.2- Схема электроснабжения предприятия (после реконструкции)

Для резкопеременных и спокойных нагрузок применяются также трансформаторы с расщепленными обмотками. В случае подключения к одной ветви обмотки НН трансформатора спокойной нагрузки, а к другой - резкопеременной связь между значениями размахов изменения напряжения на соответствующих шинах и можно представить в виде

, (11.2)

где - коэффициент расщепления, равный 3,34-3,64. В среднем принимается =3,5.

При использовании трансформаторов с расщепленными обмотками для сетей 6-10 кВ с ДСП небольшой мощности КН на шинах «спокойной» нагрузки также могут быть в допустимых пределах.

Применение сдвоенного реактора более эффективно в случае, когда коэффициент связи между обмотками (секциями) равен единице; последнее возможно при использовании реакторов со стальным магнитопроводом. В этом случае можно подобрать параметры реактора таким образом, чтобы исключить влияние падения напряжения, обусловленного нагрузкой смежной секции в сопротивлении электрической сети. Соотношение между сопротивлениями сети и реактора с учетом коэффициента трансформации k_тр между обмотками его имеет вид . Реактор, сопротивление которого отвечает этому соотношению, называется настроенным.

Однако при изменении сопротивления системы, что всегда имеет место на практике, эффективность работы реактора ухудшается. Исключить эксплуатационную расстройку системы возможно, если оборудовать реактор системой регулирования настройки, например, путем подмагничивания магнитопровода постоянным током.

Применение установок ПК для снижения КН наиболее эффективно при преобладании реактивного сопротивления линии, т.е. когда отношение велико, а также при низких значениях коэффициента мощности. При пиковых нагрузках применение ПК оказывается эффективным средством уменьшения размахов изменения напряжения, что широко используется для электроснабжения сварочных установок и рудно-термических печей.

Обычно устройства ПК включаются последовательно со сварочными или печными трансформаторами, т.е. параллельно ветви намагничивания трансформатора. В образовавшемся феррорезонансном контуре при резких изменениях нагрузки, шунтировании или расшунтировании БК возможно возникновение феррорезонанса токов и субгармонических колебаний^** колебания с частотой менее 50 Гц.. Вследствие триггерного эффекта в этом случае возникают 8-10-кратные увеличения тока и перенапряжения на БК с кратностью 2-2,5. Появление субгармоник может привести к возникновению субгармонического резонанса, при котором наблюдаются периодические КН; в результате становится заметным мигание ламп, возникают периодические колебания частоты вращения роторов электродвигателей. Значительные субгармоники напряжения наблюдались в сети реверсивного прокатного стана, где была применена ПК. Заметим, что незначительные субгармоники всегда имеются в амплитудных спектрах токов и напряжений сетей прокатных станов; они вызваны малыми изменениями нагрузки.

Если связь СЭС прокатного стана с ТЭЦ или ГПП осуществляется по протяженному шинопроводу, то при работе стана также возникают субгармонические колебания. Такие явления были зафиксированы в сети 10 кВ непрерывного прокатного стана, связанного с ТЭЦ шинопроводом общей длиной (с ответвлениями) около 14 км. Возникающие при этом кратковременные перенапряжения были причиной повышенной аварийности в кабельной сети.

Для борьбы с отмеченными выше недостатками ПК практикуется ряд методов. К ним относятся применение специальных конденсаторов, допускающих кратковременные перенапряжения; использование постоянно включенных шунтирующих резисторов, сопротивления которых в несколько раз превосходят сопротивления конденсаторов при промышленной частоте; подключение параллельно конденсаторам защитных разрядников, шунтирующих конденсаторы при КЗ за ними на стороне потребителя.

Для исключения возникновения феррорезонансных явлений в сетях, питающих руднотермические печи, магнитная индукция разделительного или последовательно регулируемого трансформатора должна быть не более 1,2 Тл для холоднокатаной и 0,8 Тл - горячекатаной стали.

В европейской практике установки ПК применяются достаточно широко. Известна, например, установка ПК в сети 30 кВ металлургического завода в Бельгии, питающей несколько прокатных станов с вентильными приводами, в том числе широкополосный стан и обжимной стан (блюминг-слябинг). Размахи КН в сети снизились на 36 %.

Снижение КН с помощью быстродействующих СТК. Компенсация КН в данном случае осуществляется за счет компенсации набросов РМ. Для обеспечения компенсирующего эффекта время запаздывания при генерации РМ компенсатором должно быть минимальным, чтобы не вызвать увеличение уровня КН. Так, например, при компенсации наброса РМ прямоугольной формы с некоторым временем запаздывания t вместо одного появляется два наброса РМ и уровень КН увеличивается. Это обстоятельство учитывается на практике при проектировании системы автоматического управления СТК, а также выборе его мощности.

Максимальная компенсирующая способность СТК связана с максимальным размахом КН, который может быть скомпенсирован, следующим выражением

. (11.3)

Очевидно, что КН с разностью будут компенсироваться полностью, а при - до значения .

Доза фликера после компенсации

, (11.4)

где

Значения , а, следовательно, и максимальную мощность СТК можно определить, приравняв . Однако решить уравнение аналитически не представляется возможным. Поэтому на практике можно применить следующий способ.

Эквивалентное число КН при условии, что все КН имеют максимальный размах , находится из соотношения

. (11.5)

С другой стороны, после компенсации этих, эквивалентных по дозе фликера, максимальных КН до допустимого уровня (), получается

. (11.6)

Из последних двух выражений следует

(11.7)

или

. (11.8)

Отметим, что расчет по выражению (11.8) дает завышенные результаты (погрешность 5 - 10% в зависимости от степени разброса размахов КН).

Пример 1. Определить ДФ на шинах 10 кВ подстанции 1 после реконструкции - переноса резкопеременных нагрузок на шины подстанции 2 (рис. 11.3). Значения доз фликера на шинах подстанций соответственно = 3,78, = 5,25. Мощности КЗ на шинах 10 кВ и 220 кВ составляют = 250 МВ^.А,= 380 МВ^.А, = 4000 МВ^.А. Среднеквадратичные значения полной мощности нагрузки подстанций = 15 МВ^.А, = 38 МВ^.А. Доля резкопеременной нагрузки подстанции 1 составляет 60 %. В расчетах принять, что ДФ пропорциональна значению среднеквадратичной мощности источника КН.

Решение. Будем рассматривать ДФ как источники напряжения соответственно по 1-й и 2-й подстанциям и . Для удобства выполнения преобразований введем обозначения ; ; ; .

1. Составим систему уравнений для определения и

Рис. 11.3- Схема для расчета колебаний напряжения



Рис. 11.4- Схема замещения для сети рис. 11.3.

так как .

Аналогично находим

.

Таким образом,

.

Аналогично находится выражение для

.

Решая совместно два последних уравнения, находим выражения для и

,

.

2. Значение ДФ, обусловленное резкопеременной нагрузкой подстанции 2,

.

3. После переключения резкопеременной нагрузки на шины подстанции № 2 ДФ на шинах «спокойной» нагрузки подстанции 1:

.

4. Доза фликера в узле 1 после подключения резкопеременной нагрузки на шины подстанции 2

Таким образом, схемное решение, заключающееся в переносе резкопеременной нагрузки на шины 10 кВ подстанции 2, позволяет снизить уровень колебаний напряжения на шинах 10 кВ подстанции 1, где подключена спокойная нагрузка, до допустимого значения.

12. Снижение несинусоидальности напряжения

Снижение несинусоидальности напряжения обеспечивается либо рациональным построением СЭС предприятия, при которой параметры, характеризующие несинусоидальность напряжения, будут в допустимых пределах, либо применением специальных схем коммутации нелинейных нагрузок, а также корректирующих устройств. На практике, как правило, сочетают различные методы.

Обеспечить допустимый уровень несинусоидальности в некоторых случаях возможно путем выделения нелинейных нагрузок на отдельную секцию шин, подключенную к одной из обмоток многообмоточного трансформатора или реактора. В этом случае на шинах нелинейной нагрузки допустимый уровень несинусоидальности определяется только условиями надежной работы автоматических систем управления и самих нагрузок (например, условиями надежной коммутации ВП). Возможно также иное решение: рассредоточение нелинейных нагрузок по различным узлам СЭС с подключением параллельно этим нагрузкам электродвигателей. Такой подход в некоторых случаях может обеспечить допустимый уровень несинусоидальности.

Нагрузки в виде ДСП и руднотермических печей подключаются через специальные печные трансформаторы к узлам сетей 35-110-220 кВ, что приводит, по существу, к «выбросу» ВГ в сети ЭЭС. Присоединение таких нагрузок требует установки корректирующих устройств для фильтрации ВГ.

Подключение мощных ВП к узлам сетей 110-220-330 кВ через специальные трансформаторы с соответствующим высшим номинальным напряжением допустимо лишь в случае, если к узлу сети не подключены «холостые» или слабо загруженные тупиковые ВЛ длиной более 0,5 критической l_кр в соответствии с выражением

, (12.1)

где - коэффициент фазы линии (0,06 град/км); х_к - сопротивление КЗ на шинах подстанции; z_с - волновое сопротивление линии (z_с = 330400 Ом).

Это условие справедливо также для случая, когда ВП подключены к отдельной обмотке трехобмоточного трансформатора. Это объясняется нелинейным и несимметричным характером АЧХ входного сопротивления ЭЭС со стороны узлов 110 кВ и выше.

Шестипульсные мостовые ВП одинаковой мощности могут группироваться попарно таким образом, чтобы сетевые обмотки каждой пары трансформаторов были соединены в звезду и треугольник. При этом в случае одинаковых нагрузок преобразователей реализуется эквивалентный 12-пульсный режим, так как происходит взаимная компенсация ВГ, не характерных для 12-пульсного преобразователя (5, 7, 17, 19, ...) Однако при неодинаковых нагрузках ВП, работающих в эквивалентном 12-пульсном режиме, а также при асимметрии управляющих импульсов при различной настройке СИФУ этих ВП нескомпенсированные ВГ могут быть значительными; реализация эквивалентного многопульсного режима может оказаться неэффективной. Режим требуемой пульсности обеспечивается также с помощью трансформаторов ВП со специальным выполнением обмоток; как правило, в прокатном производстве используются 12-пульсные схемы. В электролизном производстве реализуются многопульсные режимы с большим числом пульсаций (18, 24, 36, …).

Сдвиг по фазе между векторами линейных напряжений на зажимах трансформатора может быть обеспечен с помощью специальных фазоповоротных трансформаторов, подключаемых перед трансформаторами ВП. Например, угол сдвига фаз должен быть 15, если работают два 12-пульсных ВП; при этом реализуется эквивалентный 24-пульсный режим. Практика свидетельствует о том, что использование 12-пульсных ВП целесообразно при их мощности 3 МВт и более.

В последние годы в сложных преобразовательных устройствах, сочетающих группы последовательно или параллельно соединенных одно- или двухмостовых ВП, используются специальные законы управления, обеспечивающие подавление одной или нескольких ВГ сетевого тока. Обычно подавляются ВГ, на частотах которых возможны резонансные явления в сети. Так, для одной из схем, используемых в горнодобывающей промышленности, при разности углов управления анодными и катодными группами вентилей, равной 36, подавляется 5-я гармоника, 26 -7-я. Этот метод иногда применяется и в других отраслях промышленности при «спокойных» нагрузках.

Батареи конденсаторов для компенсации РМ в сетях с нелинейными нагрузками при K_U < 5% должны включаться последовательно с защитными реакторами. При большем уровне несинусоидальности конденсаторы используются в схемах настроенных или ненастроенных ФКУ.

В сетях 6-10-35 кВ с источниками ВГ индуктивность защитного реактора выбирается таким образом, чтобы цепь реактор-батарея носила индуктивный характер на частоте гармоники наименьшего порядка _нм из имеющихся в амплитудном спектре источника согласно выражению

(12.2)

где С_БК - емкость БК на фазу,

или

 (12.3)

где х_р и х_БК - сопротивления реактора и БК при промышленной частоте.

При использовании защитных реакторов напряжение на конденсаторах в сравнении с напряжением на шинах возрастает пропорционально значению a_нм, определяемому выражением:

(12.4)

В сетях напряжением до 1 кВ БК, работающие в условиях наличия ВГ, также должны включаться последовательно с защитными реакторами; индуктивность реактора выбирается согласно выражению (12.3). При наличии нескольких цеховых трансформаторных подстанций, подключенных к шинам 6-10 кВ электростанции или подстанции, и источников ВГ, питающихся от этих шин или от трансформаторных подстанций, принимают _нм = 3, если в амплитудном спектре токов источников имеется 3-я гармоника (частота 150 Гц), либо _нм = 5, если наименьший порядок гармоники соответствует частоте 250 Гц.

Батареи конденсаторов, работающие в сетях, в которых имеют место КН, непрерывно находятся в переходных режимах дозаряда и частичного разряда, вызванных повышением напряжения сети. Переходные режимы сопровождаются увеличением тока через БК и их повышенным нагревом. Кроме КН и ВГ на конденсаторы оказывают также существенное влияние ОН

Фильтро-компенсирующие устройства являются аппаратами многоцелевого назначения и применяются для компенсации РМ и снижения уровней ВГ. Эти фильтры настраиваются на частоты одной или нескольких ВГ, преобладающих в амплитудных спектрах напряжения сети, либо на промежуточную частоту в зависимости от вида нелинейных нагрузок и значения k_р, определяемого по формуле

(12.5)

где Q_p - установленная мощность БК _р-й гармоники; S_к - мощность КЗ на шинах, к которым подключено ФКУ.

В сетях с 6-пульсными ВП при k_р 210^-2 устанавливаются ФКУ 5-й и 7-й гармоник. Если при этом не обеспечивается снижение несинусоидальности напряжения до 5 % или менее, дополнительно предусматривается ФКУ 11-й гармоники.

При k_р 2,510^-2 достаточно установить только ФКУ 5-й гармоники.